1/ Hệ:
- Hệ vĩ mô: Là hệ gồm một số lớn các tiểu phân, kích thước không gian va thời gian tôn tại của hệ phải đủ lớn dé cỏ thé tiến hành các phép đo thông thường.
Những vật thể khác nằm xung quanh được gọi là môi trường bên ngoài.
- Hệ cô lập: La hệ không trao đôi gì về năng lượng cũng như không trao đổi chất với môi trường bên ngoải.
- Hệ đóng: Là hệ không trao đối chất nhưng có thé trao đổi năng lượng
với môi trường bên ngoài.
- Hệ mở: La hệ không bị rang buộc bởi một han chế nào, tức lả những hệ
không cô lập.
- Hệ đồng thé: Là hệ có các thuộc tính hoặc không đổi, hoặc thay đối déu
liên tục từ điểm này qua điểm kia, hoản toản không có những bẻ mặt phân chia
trong hệ.
Bẻ mặt phân chia: Là những bể mặt vật lí mà khi đi qua nó thì có sự thay đổi đột biến những thuộc tính vĩ mô nào đó của hệ.
- Hệ d HỆ Là hệ có những bẻ mặt phân chia như trên.
- Hệ đồng nhất: Là hệ có thành phần như nhau và có các thuộc tính như nhau ở khắp mọi điểm của hệ.
- Hệ không đồng nhất: Là hệ có thành phần hay các thuộc tính không
như nhau ớ khắp mọi diém của hệ.
2/ Pha:
La tập hợp những phần đồng thé giống nhau của một hệ. Nó được giới hạn
với những phần khác bằng những bé mặt phân chia.
- Pha đơn giản (hay pha nguyên chất): Chi gồm một chất hóa học
nguyên chất.
- Pha tạp hợp: Là pha chứa hai hay nhiều chất.
3/ Thuộc tính của hệ:
- Thuộc tính khuếch độ: Là những thuộc tính tỉ lệ thuận với khối lượng
vả có tỉnh cộng tính.
- Thuộc tính cường độ: La những thuộc tính không có đặc tính ti lệ thuận
với khối lượng va không có tinh cộng tính,
4/ Trạng thái của hệ:
Trạng thái vĩ mô của hệ được xác định bởi tập hợp những thuộc tinh vi mô
độc lập của nó.
- Tham số của trạng thái: Là bất luận thuộc tính nào, khuếch độ hay cường độ, dùng dé mô tả trang thái của hệ.
- Trạng thái dừng: La trạng thái trong đó các thuộc tính của hệ không thay đôi theo thời gian.
SVTH: Cù Tiến Thành -29~
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Tran Văn Khoa
Th.S Nguyễn Văn Ngân
- Trạng thái cân bang nhiệt động (gọi tat là trạng thái cân bang): La
trạng thái mả khi trong hệ, không những các thuộc tính của hệ không đổi theo
thời gian, mà còn không có một thông lượng dừng nào (dòng nhiệt, dong
chất,.... phân bố không đổi theo thời gian) do những tác dụng từ bên ngoài gây ra.
Cân bằng nhiệt động bao gồm:
+ Cân băng nhiệt.
+ Cân bằng cơ học.
+ Cân bằng hoá học.
Tiên đề cơ bản của nhiệt động lực học: “Một hệ cô lập, không tương tác với bên ngoài, nêu chưa ở vao trạng thai cân bằng thi theo thời gian, sớm hay muộn, bao giờ cũng tự đi tới trạng thái cân bằng nhiệt động và không khi nảo tự
nó hệ cỏ thê đi thoát ra khỏi trạng thái nảy.”
5/ Quá trình:
° Get trình nhiệt động: La mọi biến đổi xảy ra trong hệ mà có liên quan với sự biến thiên dù chỉ một tham số trạng thái của hệ.
- Quá trình đóng (hay chu trình): Là quá trình trong đó hệ đi từ một
trạng thái đâu, chịu một loạt biến hoá rồi lại trở vê trang thái đầu.
- Quá trình mở: Là quá trình trong đó trạng thái đầu và cuối của hệ là
khác nhau.
- Quá trình cân bằng (hay gần tĩnh): La quá trình cấu tạo bởi một dãy liên tục những trạng thái cân bằng, hoặc 1a qua trình ma trong suốt thời gian diễn biển của nó, trong hệ lúc nảo cũng chỉ có những sai lệch vô cùng nhỏ so với trạng thái cân bằng. :
Từ trên suy ra tính chất hai chiều của quá trình cân bằng: “Kha năng của quá trình cân bằng diễn ra theo chiều thuận hay theo chiều nghịch là như
nhau."
Trong quá trình cân bằng, những tham sé nào của hệ mà không phải là được giữ cố định thì chỉ có thé biến thiên vô cùng chậm về mặt vật li.
- Quá trình thuận nghịch hay không thuận nghịch: Quá trình | —2 gọi
là thuận nghịch nếu có thể thực hiện được quá trình ngược 2 -Lđi qua đúng mọi trạng thái trung gian như lần đi thuận sao cho khi hệ trở về trạng thái đầu thì không còn tổn tại một biến đổi nào trong chính hệ cũng như ở môi trường xung quanh. Nếu không được như thé thi quá trình là không thuận nghịch.
* Một số dạng quá trình nhiệt động thường gặp: Dù đóng hay mở,
thuận nghịch hay không, quá trình ở nhiệt độ không đôi gọi là đăng nhiệt, ở áp
suất không đổi gọi là đẳng áp, ở thẻ tích không đổi gọi là đăng tích.
Quá trình đoạn nhiệt là quá trình trong đó hệ không nhận nhiệt va cũng không nhường nhiệt cho bên ngoài.
6/ Hàm trạng thái của hệ:
Một đại lượng nhiệt động là ham trạng thái của hệ nếu biến thiên của đại
lượng đó chỉ phụ thuộc vao trạng thái đầu và cuối của hệ, không phụ thuộc vào cách tiến hành quá trình, đặc biệt không phụ thuộc vào việc quá trình đã thực
hiện thuận nghịch hay không.
Nói chung, tất cả các tham số trạng thái của hệ déu là những hàm trạng
thái của hệ vì những tham số đó chỉ đặc trưng cho trạng thái đang xét của hệ
Đối với toàn bộ chu trình, biển thiên của bất ki tham số trạng thái nảo cũng déu bằng 0.
SVTH: Cù Tiến Thành -30-
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Trần Văn Khoa
Ths Nguyén Van Ngân
7/ Năng lượng:
La độ do vận động các vật chất trong mọi biến đổi của nó từ dạng này
sang dạng khác.
Tương ứng với các hình thức vận động khác nhau của vật chất, tổn tại các
dạng ee nhau của nang lượng. Năng lượng của một hệ nằm trong trọng trường
bao gôm:
- Động năng: Ung với chuyên động cơ học của toàn hệ trong không gian.
- Thế năng: Xác định bởi vị trí của hệ trong trọng trường.
- Nội năng U: Bao gồm tổng năng lượng của các tiểu phân tạo nên hệ đó.
Nó là một hàm trạng thái của hệ.
8/ Nội năng:
Nếu ta chi quan tâm tới cấu trúc bên trong của hệ, nghĩa la bỏ qua tác dụng của trọng trường và sự chuyển động cơ học của hệ như một khối thống
nhất, nghĩa là không chủ ý đến năng lượng ngoải thì năng lượng của hệ chính là
nội nâng U của nó.
Đối với một hệ khí, nội năng gdm cúc thành phần sau đây:
- Nang lượng chuyên động tịnh tiến của các phân tử.
- Năng lượng electron của các nguyên tử và phân tứ.
- Nang lượng hạt nhân của các nguyên tử.
- Năng lượng dao động của các nguyên tử va các nhóm nguyên tử trong
phân tu.
- Năng lượng quay của các phân tử.
ác bi, Sivas vO <a ang Oy Noman: Ot, eee bey
rin) là tông năng lượng tương tác giữa các phân tử, năng lượng bền trong mối
phân tử và năng lượng chuyển động hỗn loạn của các phân tử.
Đối với những hệ gồm nhiêu vật thể hoặc nhiều pha được phân chia bởi các bể mặt phân cách thi ngoài nội năng của từng vật thé riêng biệt, nội nan
chung của hệ còn bao gồm cả năng lượng tạo ra bề mặt, gọi là năng lượng
mặt.9/ Đại cương về nhiệt và công:
Có hai cách khác nhau chuyên năng lượng từ vật này sang vật khác:
- Nếu sự chuyển chỉ có liên quan với sự tăng cường độ chuyển động phân
tử trong hệ nhận nang lượng thi sự chuyển đó được thực hiện dưới dạng nhiệt.
Nhiệt là một hình thái vật lí vi mô, pig ý St có fe Go 0 Xà
Net giữa các hệ, thực hiện qua chuyển động hỗn loạn (chuyển động nhiệt) của
các tiểu phan.
- Nếu sự chuyển năng lượng có liên quan với sự chuyển địch của những
khối lượng vĩ mô đưới tac dụng của những lực nảo đó, thi sự chuyển đó được
thực hiện đưới đạng công.
Công là một hình thai vật li vĩ mỏ, có trật tự, định hướng của sự chuyển
nang lượng tử hệ thực hiện công đến hệ mà công đó được tác dụng vảo.
10/ Entanpi:
Giả sử ta truyền một nhiệt lượng Q cho một hệ để chuyển nó từ trạng thái
I sang trạng thai 2. Trong trưởng hợp chung, lượng nhiệt nảy được dùng dé làm
thay đổi nội năng cua hệ AU vả thực hiện một công A nao đó:
Q=AU+A.
SVTH: Cù Tiến Thành -3)-
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Trần Văn Khoa
Th.S Nguyễn Văn Ngân
Nếu sự bien doi của hệ 14 vô cùng nhỏ thi biểu thức trên có dạng:
5 Q=dU8 A (1).
Biểu thức (1) là biểu thức vi phân co ban của nguyên lí I.
Vẻ công, ta thường gặp các dang sau đây:
- Công liên quan đến sự tăng thể tích của hệ: đA = p.dV
- Công gắn liên với sự biến đôi bề mặt củahệ A= œdS( zsức căng bể
mal).
- Công điện: SA = E.dn
Dé đơn gián, chúng ta gia thuyết hệ chỉ chịu tác dụng của áp suất ngoài, còn các lực khác coi như không có. Và biểu thức (1) có dang:6Q = dU + p.dV
- Qua trình ding tích: (dV = 0) đQy = dUy hay Q, = AUy
- Quả trình đăng áp: (p=const) 5Q, = dU, + p.dV = d (U + pV)
Dai lượng U + pV được gọi lả entanpi của hệ, kí hiệu là H: H=U+pV ổ Q, = dH, hay Q, = AH,
Entanpi H cũng là một ham trạng thái của hệ.
11/ Entrôpi:
Biểu thức định lượng tổng quát của nguyên lí HI:
jz <0 . T1 Dau “=" ứng với chu trình thuận nghịch.
Dau “<” ứng với chu trình bat thuận nghịch.
Trong nguyên lí II của nhiệt động học, khi tìm mối liên hệ giữa lượng nhiệt ma hệ thu vào với công ma nó thực hiện khi chuyển từ trạng thái có nhiệt độ cao sang trạng thai có nhiệt độ thấp, ta thu được một đại lượng mới gọi là
entrôpi.
JẴ,=o > 4=),ọQ
Biểu thức vi phân tổng quát của nguyên lí thứ II:
dS> TT Dấu “=” ứng với quỏ trỡnh thuận nghịch.ọQ
Dấu “>” ứng với quá trình bắt thuận nghịch.
AS> Q Dấu “=" ứng với quá trình thuận nghịch.
T Dâu “>” ung với quá trình bắt thuận nghịch.
Entrôpi cũng 14 một hàm trạng thai của hệ. Khi hệ thực hiện một quả trình
thi lượng nhiệt mà nó giải phóng ra hay thu vào được dùng để thay đổi entrôpi
của hệ.
Khi hệ được khảo sát lả cô lập (không có sự trao đôi chất và năng lượng với môi trường xung quanh) thì Q=0 nên AS 2 0 Trong đó, dấu “=” ứng với quá trình thuận nghịch còn dấu “>” ứng với quá trình bất thuận nghịch. Như vậy,
entrépi của một hệ cô lập chi có thẻ hoặc không đôi, hoặc tăng chứ không thê
giảm.
Nếu trong hệ cô lập có diễn ra những quá trình không thuận nghịch thi
những quá trình này làm entrôpi của hệ cô lập tăng lên (AS >@) Chimg nao quá trình không thuận nghịch còn diện ra thì entrôpi của hệ cô lập còn tăng lên. Khi
SVTH: Cù Tiến Thành .32-~
LUẬN VAN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Tran Văn Khoa
Th.S Nguyễn Văn Ngân
quá trình không thuận nghịch dừng lại, tức là khi hệ đạt tới trạng thái cản bằng thi lúc đó entrôpi của hệ cũng dat tới giá trị cực đại. Vậy, entrôpi S là độ đo tinh không a l4 nghịch của quá trình.
Vì tất cả các quá trình tự nhiên đều không thuận nghịch cho nên entrôpi cũng đồng thời là tiêu chuẩn về chiều điễn biến của quá trình và về cân bằng của hệ. Trong hệ cô lập, quá trình chỉ có thé diễn ra tự nhiên theo chiêu làm tăng
entrôpi của hệ cô lập.
Điều kiện cõn bằng là: Spy co gp = Smax ằ tức là dS = 0, dS < 0.
í nghĩa vật lớ của entrụpi: ơ
R với k là hãng số Boltzmann.
S=kinW = ——InW . Rlàhẳng số khí.
" Na là số Avogadro.
W là xác suất nhiệt động của hệ.
Entrôpi gắn với xác suất của một hệ nhiệt động, entrôpi cao nghĩa 1a xác suất cao. Mặt khác cũng có thể nói entrdpi đặc trưng cho độ mắt trật tự (hỗn loạn) của một hệ phân tử, vì xác suất được xác định bằng số trạng thải vi mô, mà sO trạng thái vi mô cảng lớn cỏ nghĩa là hệ cảng mat trật tự.
Nhu vậy, entrépi gắn với độ tự do của sự chuyển động phân tử, độ tự do cảng cao thi entrôpi càng lớn. Đối với một chất, entrdpi ở trạng thái khí lớn hơn ở trạng thái lỏng, ở trạng thái lỏng lớn hơn ở trạng thái rắn, vì khi chuyển từ khí sang lỏng, lỏng sang ran thì số bậc tự do của sự chuyển động phản tử giám.
12/ Thế nhiệt động:
a/ Biểu thức thống nhất hai nguyên lí:
- Nguyên lil: @Q = dU + đA
~ Nguyên lí Il: 8Q < TdS
Suyra: TdS <dU+é6A
Dau “=" ứng với quá trình thuận nghịch.
Dấu “<” ứng với quá trình bắt thuận nghịch.
Sự vận dụng đồng thời cả hai nguyên lí cho chứng minh ở dạng hoàn toản tổng quát: Công đo hệ thực hiện sẽ là lớn nhất khi qué trình được tiến hành
thuận nghịch nhiệt động: ồAu=ôA
Công cực đại bao gồm công cơ học pdV va các dạng công khác (công
điện, công tạo bể mặt,...) gọi chung là công có ich A’. Do đó, ta có thé viết:
TdS = dU + pdV + 5A" hay 6§A'_,, =-dU + TdS -pdV
b/ Thế nhiệt động: La những hàm trạng thái của hệ mà độ giảm của nó
trong những điều kiện xác định bằng công có ích cực đại do hệ thực hiện trong quá trình thuận nghịch tiến hành trong những điều kiện đó. ;
Tùy thuộc vào điều kiện tiến hành quá trình, ta có thé phân biệt bốn thé
nhiệt động sau đây:
- Khi V, S =const: A' =-dU hay A' = -AU. ‹
Nội năng là một thé nhiệt động, được gọi là thé ding tích đẳng entrôpi.
- Khi p, S =const: ọA' =-d(U+pV)=-dH hay A‘ =-AH
Entanpi lủ một thế nhiệt động, được gọi là thế đẳng áp đẳng entrôpi.
SVTH: Cù Tiến Thành = 33
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S Trần Văn Khoa
Th.S Nguyễn Văn Ngắn
- Khi V,T =const: ổA'.. = -đ(U-TS)
F = U - TS được gọi là thé đăng tích đăng nhiệt (gọi tắt là thé đăng
tích). Dai lượng F con thường được gor là năng lượng tự do Helmholtz.
SA‘, =-dF hay = A’, = -AF
- Khi p, T= const: OA’. = -d(U+pV-TS) - -
G=U+pV-TS =H-TS =F + pV được gọi la thế đẳng áp đẳng nhiệt (gọi tắt lả the đăng áp). Dai lượng G còn thường được gọi là năng lượng ty do
Gibbs.
ỗA'„=-dG Bây A'„=-ÁG